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ラズパイでステッピングモータの制御

2021-09-27　 2019-09-01

こんなこと、やります。

Raspberry Piを使って、モータドライバTB6674PGの使い方を学ぶ
バイポーラ型ステッピングモータSM-42BYG011の使い方を学ぶ
Raspberry Piでステッピングモータを1ステップづつ動かしてみる

ラズパイではじめてのステッピングモータ制御【TB6674PG】

つかうもの

この記事で「つかうもの」について説明します。

Raspberry Pi

お好きなラズパイでどうぞ。

Raspberry Pi 4 Model B 8GB 技適マーク入

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Raspberry Pi Zero W ハンダ付け済み

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ラズパイのセットアップはキーボードなしのラズパイをMacで初期設定、SSH環境構築をご参考になさってみてください。

ステッピングモータ

バイポーラ駆動のステッピングモータの選択肢はあまり多くなく、比較的安く買えるSM-42BYG011を使用しました。

Quimat Nema 17ステッピングモータ 3Dプリンター用バイポーラ

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3DプリンタやCNC工作機械ならセットがお得

バイポーラ駆動のステッピングモータは高価です。3DプリンタやCNC工作機械を作りたい方は、こちらのようなレール部品などがセットになったキットがオススメです。

Quimat 3Dプリンター CNCキット

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Kuman 3Dプリンターセット CNCキット

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ボールネジリニアスライド500 mm + 42ステッピングモーター

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モータドライバ

ステッピングモータ用のドライバとしてTB6674PGを使います。

TB6674PG

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その他の電子部品

ブレッドボードやジャンプワイヤをお持ちでない方は揃えておきましょう。

サンハヤト SAD-101 ニューブレッドボード

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サンハヤトジャンプワイヤキット

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サンハヤトジャンプワイヤ

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ステッピングモータ

ステッピングモータについて説明します。

ステッピングモータとは

ステッピングモータとは、時計の針のように細かな刻みで1ステップづつ動かすことができるモータです。

こちらの写真のように、ステッピングモータの内部には、たくさんのコイルと回転軸部のギアの形をした磁石でできています。コイルへ電流を交互に流すことで、1ステップずつ動き、また回転方向も変えることができます。

ステッピングモータ（SM-42BYG011）の内部のようす

ステッピングモータの種類

ステッピングモータの種類には、バイポーラとユニポーラがありますが、バイポーラのほうがトルクを高くでき高性能です。その代わり、値段もユニポーラより高くなります。バイポーラ駆動のステッピングモータは、3DプリンタやCNC工作機械などに使われます。

ユニポーラ型のステッピングモータを使いたい場合は、Arduinoでステッピングモータの制御（ユニポーラ編）をご参考になさってみてください。

ユニポーラは、1つの巻線に対し、一定方向の電流しか流さない
バイポーラは、1つの巻線に対し、双方向へ電流を流す

バイポーラステッピングモータSM-42BYG011の特性図より

SM-42BYG011の特性

こちらのグラフは、秋月電子通商のバイポーラステッピングモーターの特性図より参考させて頂きました。

バイポーラステッピングモータSM-42BYG011の特性図

実は、バイポーラ駆動型のステッピングモータは、回転速度が高いとトルクが下がっていきます。バイポーラでは電流を双方向に流すため、周波数が高くなるにつれコイルのインダクタンスが大きくなってしまうのが原因のようです。

Quimat Nema 17ステッピングモータ 3Dプリンター用バイポーラ

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モータドライバ

モータドライバについて説明します。

モータドライバの選定

2相のバイポーラ駆動方式のステッピングモータに対応している、TB6674PGをモータドライバとして選びました。ステッピングモータを正逆転させらます。また、ステッピングモータへの供給電圧は22Vまで対応してます。

TB6674PG

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TB6674PGデータシート - 秋月電子通商

TB6674PGの端子の役割

ラズパイとTB6674PGとの配線図

TB6674PGの端子の役割と意味は次のとおりです。

端子番号	記号	動作
1	V_S2A	低電圧電源端子
2	Vcc	制御電源端子
3	IN A	A-ch正転/逆転信号入力
4	GND	グランド
5	GND	グランド
6	IN B	B-ch正転/逆転信号入力
7	PS	パワーセーブ信号入力
8	V_S2B	スタンバイ信号入力
9	V_S1B	高電圧電源端子
10	φB	B出力
11	Φ bar B	B bar出力
12	GND	グランド
13	GND	グランド
14	Φ bar A	A bar出力
15	φA	A出力
16	V_S1A	高電圧電源端子

真理値表

V_S2Bの真理値表は次のとおりです。V_S2A は、低電圧電源端子として5Vを接続しないと動作しないので注意が必要です。

V_S2B	動作
L	POWER OFF
H	OPERATION

PSとINの入力信号により出力が制御されます。基本的に PS はLowにセットし、IN A と IN B の入力信号でステッピングモータを制御します。

TB6674PGの真理値表

モータドライバの入力と出力

モータドライバのIN AとIN Bの入力に、次の順序で信号を送ることでステッピングモータを1ステップずつ動かすことができます。

IN A	IN B
H	H
L	H
L	L
H	L

入力信号と出力信号の関係は次のとおりです。

IN A	IN B	A	A bar	B	B bar
H	H	H	L	H	L
L	H	L	H	H	L
L	L	L	H	L	H
H	L	H	L	L	H

モータドライバの出力を観察してみた

実際に、モータドライバにの出力に4つのLEDをつないで、入力信号を上の表の通り順番に変化させ、点灯を確認してみました。映像のように、LEDが順番に点灯を繰り返されています。

モータドライバの出力をLEDで確認

さらに、モータドライバーの出力をオシロスコープで観察してみました。

オシロスコープでTB6674PGの出力を確認

準備

ラズパイでステッピングモータを制御するための準備を説明します。

ラズパイとモータドライバ、ステッピングモータの配線

ラズパイとモータドライバ、ステッピングモータをそれぞれ図のように配線します。

ラズパイ、TB6674PG、ステッピングモータの配線図fritzing

GNDはすべてラズパイと共通の状態にします。

モータドライバTB6674PGの5V電源はラズベリーパイの電源を利用しました。一方で、ステッピングモータの電源は別途に用意した9V電源で供給します。

モータドライバのIN A、IN B、PS (Power Save)は、ラズベリーパイのデジタルGPIOピンに接続します。

ステッピングモータの配線コードの色

ステッピングモータSM-42BYG011では、図のように赤緑、黄青のペアになっています。それぞれのペアを、モータドライバーのA-ch、B-chに接続します。

ステッピングモータのコードの色と役割

ラズパイでステッピングモータを制御

ラズパイでステッピングモータを制御していきましょう。

ソースコード

ステッピングモータをドライバーICに接続して、動作確認をした。使用したPythonプログラムは次の通り。

# -*- coding: utf-8 -*-
# Created by Toshihiko Arai.
# https://101010.fun/iot/step-motor.html

import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

PS_PIN = 19  # -> 7
IN_A_PIN = 20  # -> 3
IN_B_PIN = 21  # -> 6
STEP_ANGLE = 1.8

# Clockwise Rotation
# speed > 0.003


def rotateCw(speed, degree):
    d = int(degree / STEP_ANGLE / 4)
    for i in range(d):
        GPIO.output(IN_A_PIN, True)
        GPIO.output(IN_B_PIN, True)
        sleep(speed)

        GPIO.output(IN_A_PIN, False)
        GPIO.output(IN_B_PIN, True)
        sleep(speed)

        GPIO.output(IN_A_PIN, False)
        GPIO.output(IN_B_PIN, False)
        sleep(speed)

        GPIO.output(IN_A_PIN, True)
        GPIO.output(IN_B_PIN, False)
        sleep(speed)


def rotateCcw(speed, degree):  # Counter Clockwise Rotation
    d = int(degree / STEP_ANGLE / 4)
    for i in range(d):
        GPIO.output(IN_A_PIN, True)
        GPIO.output(IN_B_PIN, True)
        sleep(speed)

        GPIO.output(IN_A_PIN, True)
        GPIO.output(IN_B_PIN, False)
        sleep(speed)

        GPIO.output(IN_A_PIN, False)
        GPIO.output(IN_B_PIN, False)
        sleep(speed)

        GPIO.output(IN_A_PIN, False)
        GPIO.output(IN_B_PIN, True)
        sleep(speed)


def setup():
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)

    GPIO.setup(IN_A_PIN, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(IN_B_PIN, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(PS_PIN, GPIO.OUT)

    # Vs2d
    # L -> POWER OFF
    # H -> OPERATION
    GPIO.output(PS_PIN, False)
    GPIO.output(IN_A_PIN, False)
    GPIO.output(IN_B_PIN, False)
    sleep(0.5)


def main():

    while True:
        rotateCw(0.1, 90)
        sleep(0.5)
        rotateCcw(0.003, 90)
        sleep(0.5)
        rotateCw(0.01, 180)
        sleep(0.5)
        rotateCcw(0.003, 180)
        sleep(0.5)
        rotateCw(0.003, 720)
        sleep(0.5)
        rotateCcw(0.003, 720)
        sleep(0.5)


if __name__ == '__main__':
    try:
        setup()
        main()
    # Stop on Ctrl+C and clean up
    except KeyboardInterrupt:
        GPIO.cleanup()

    GPIO.cleanup()

ソースコードの解説

ステッピングモータSM-42BYG011では、1ステップで移動される角度が1.8度です。ですから、動かしたい角度を1.8で割り、その回数分だけステップさせます。ただし、上記のプログラムでは4ステップが1単位になっています。1ステップずつ動かす場合はプログラムを改良して使ってください。

ラズパイでステッピングモータを制御しているようす

こちらの映像はYouTubeでもご覧いただけます。

はじめてのステッピングモータ制御【Raspberry Pi 】 - YouTube

動いてなくても電流が流れる

モータドライバTB6674PGでは、プログラムを走らせていないときでも常にステッピングモータに電流が流れます。そのため、ステッピングモータが発熱してしまいバッテリーの消耗もはやくなります。ステッピングモータを長時間動かさない場合は、リレーなどを使ってモータドライバーの電源をオフにするとよいかもです。

リレーの使い方はラズパイとリレーモジュールをご参考になさってみてください。

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